海洋环境下金属材料在多场多相作用下的空蚀研究进展

首先介绍了目前空蚀的几种损伤机制,其中空化气泡以冲击波和微射流形式作用于材料表面,并导致损伤的机械作用占主要地位。在此基础上,总结归纳了影响海洋环境下金属材料空蚀的影响因素及相关研究进展,将因素按照环境外因与材料性质内因进行划分,系统分析了各种因素对空蚀损伤的作用趋势和机制,明确了各因素间存在协同效应。最后,提出了今后空蚀研究的发展方向,如调控温度、盐度等各种环境因素,进行空化气泡产生、长大、溃灭及能量释放过程的机制研究;也可以从材料性质入手,设计合成具有优良表面性能和力学性能的新材料等,对如何减少海洋工况下的空蚀损伤的科学研究和工程应用具有一定的参考和指导意义。

寒区多孔介质中LNAPL迁移的多场耦合模拟

建立了包含水、气、NAPL、固(冰)四相的温度场、流场及化学场多场耦合模型,适用于定量模拟LNAPL泄漏过程中发生冻结后的迁移分布.通过与非冻条件下LNAPL迁移模型对比,模拟结果显示,冻结条件下因冰的形成LNAPL会发生与非冻条件下不同的迁移行为,冰的形成阻碍LNAPL下渗,并产生冻结势使LNAPL向地表方向迁移.相比非冻结条件,冻结条件下渗达到稳定时LNAPL相的质量通量偏差为-51.1%.冻结条件LNAPL溶解相在水平方向的迁移速度大于非冻结条件,冻结条件下如果不考虑冻结,下渗过程中LNAPL溶解量与挥发量最大偏差分别为2.4%、-24.9%.而冻结条件对LNAPL下渗达到稳定时的溶解量、挥发量影响很小,仅挥发量产生1.8%的偏差.但会减少LNAPL的吸附量,其偏差为-6.6%.

利用煤炭开发地下空间储能的技术路径与地质保障

煤炭资源在我国能源结构中仍处于主体地位,但煤炭工业发展面临着“碳达峰碳中和”的新挑战。积极发展煤炭开发地下空间储能技术,是推动能源利用低碳化和清洁化的有效手段,也是保证我国能源战略安全的关键措施。结合当前储能技术,探讨了煤炭开发地下空间的利用现状,围绕利用煤炭开发地下空间抽水蓄能、热储能、压缩空气储能、电化学储能、生物质储能等储能新技术,重点阐述废弃矿井不同能源类型的储能理念及方式,系统分析储能过程中面临的地质保障关键技术难题。煤炭开发地下空间储能新技术总体思路为:利用煤炭开发地下空间所具有的低位势能差,将其用作梯级储水库(抽水蓄能);或直接将其用作储质、储能空间(热储能、压缩空气储能、电化学储能、生物质储能),既可提升煤炭开发地下空间资源的开发利用率,又可避免土地资源浪费,尽量降低对生态环境的扰动。虽然煤炭开发地下空间可作为大规模储能库,但其开发利用过程仍存在一些亟待解决的地质问题以及地质保障技术。主要包括:(1)地质条件与选址适宜性分析和安全性评价,即对储能空间的地质因素进行岩土工程性质和环境地质条件的系统研究,查明储能空间稳定性主控因素及其权重,构建选址指标体系与评价方法,重点查明区域构造、围岩体强度以及孔裂隙发育等情况,必须保证场地安全性。(2)储能地质体构建及关键技术研究,即根据地下空间实际条件和相关参数构建储能地质体在温度(T)、渗流(H)、应力(M)、化学(C)耦合条件下的地质体多尺度性能演化模型,结合数值分析和仿真技术构建地下空间隔离墙,确立储能空间体系,评价储能潜力,创新地下空间围岩加固改良、防渗等安全措施,并为地下空间储能长期安全高效开发提供地质保障。(3)储能地质体性能演化规律研究,即基于多相(固、液)、多场(温度场、应力场、渗流场、化学场)耦合模型,揭示多尺度下(微观、细观、宏观)围岩热损伤特性、围岩疲劳强度劣化机制等,获得储能介质物性参数、注入量、注采频率、储能时间和储能压力等关键参数,提出合理的围岩加固工艺与稳定性控制技术,分析覆岩长期沉降规律,为储库泄漏防治工程提供依据。(4)地下空间长期安全稳定性评估,即对煤炭开发地下空间地质条件、安全条件及环境条件等方面进行长时间、多尺度健康监测与动态评估,构建储库地质环境安全预警系统,分析运行过程及地质环境演变,为煤炭开发地下空间储能提供全方位安全监测和预警。发展煤炭开发地下空间储能技术可为我国井下空间资源利用提供思路,推进“双碳”目标下我国煤炭产业向绿色清洁高效转型发展。

煤与共伴生战略性金属矿产协调开采理论与技术构想

煤与煤系共伴生矿产协调开采是国家重大战略需求。我国煤系共伴生有铝、铀、铁、镓等22种战略性金属矿产,种类多、储量丰富、与煤层叠置,赋存状态与开采方法差异大,各矿产开采的岩层活动、流体迁移等影响彼此正常开采。传统煤矿仅开采煤炭,对煤系共伴生矿产考虑较少或没有考虑,导致资源浪费;近些年国内开始出现煤与共伴生矿产开采的矛盾,煤与共伴生矿产协调开采迫在眉睫。面向煤系全部共伴生战略性金属矿产,聚焦典型代表性的煤系铝土矿和铀矿,保障研究成果的通用性。煤与共伴生矿产协调开采亟需解决的核心共性重大科学问题是:协调开采的固液气应力场、渗流场、化学场、微生物场、采动裂隙场耦合机制及岩层活动叠加影响规律。亟需攻克的关键技术包括:煤与共伴生矿产协调、协同及共采的分区错时协调开采技术、减振高效爆破开挖技术、水位主动调控技术、污染物的微生物原位还原-矿化治理技术。针对协调开采的重大科学问题和关键技术,研究揭示协调开采多相多场耦合机制与岩层活动叠加影响规律,提出协调开采成套方法,研发协调开采关键技术与装备,构建全资源、全生命周期协调开采规划理论,制定协调开采技术标准,形成通用性的协调开采理论与技术体系,保障各矿产开采活动不影响彼此正常开采。实现煤与共伴生矿产可持续绿色协调性开采,释放矿产储量,保障资源集约开发,经济社会效益显著。

堆浸体系中的多尺度效应与多过程耦合作用研究

作为一种较为成熟的技术,堆浸工艺已广泛应用于各种低品位矿石的浸出,但基础理论方面的研究还很不完善。首先对堆浸过程中矿岩散体进行研究尺度的划分,提出基于显微影像分析技术、CT技术和图像处理技术等对矿岩散体多尺度空间结构实现可视化,并通过对浸出体系中多相多场耦合作用和跨尺度关联问题的深入分析,提出了现阶段研究中一系列有待解决的问题。然后,详细论述了多过程耦合数值模拟的研究内容。结合国外微生物浸矿机理的研究成果,以原生黄铜矿为研究对象,总结出微生物堆浸研究的工作重点。最后,在介绍国内外堆浸技术研究进展的基础上,重点阐述了堆浸理论的研究难点。

煤炭资源枯竭型城市的灾害因素与控制对策——以辽宁省阜新煤矿为例

资源枯竭型城市灾害衍生和控制实质上受多因素、多相、多场耦合综合作用,涉及地质学、环境学、采矿学、力学、信息学、测量学等多个交叉学科,是国际上尚未能有效解决的重大科学难题。文章以典型煤炭资源枯竭型城市———辽宁阜新市为例,在阐述资源枯竭城市灾害衍生和控制的国内外研究现状基础上,对其进行归纳分类。将其分为:地下开采引起的动力灾害(包括冲击地压即矿震、煤与瓦斯突出、突水、瓦斯爆炸等);开采引起的环境灾害(包括地下水系流失、淋滤作用造成污染、矸石山自燃导致的大气污染、地表土地大量占用、植被生物群落的破坏、露天矿边坡失稳和地面建筑物受损、地表大面积裸露、地表塌陷变形等)。系统全面总结了阜新矿区衍生各种灾害的孕育条件、发生特点和成因规律。指出:阜新矿区深部冲击地压随采深增加将日益严重。其发生类型多以煤体压缩型为主,同时伴有地质构造应力影响;阜新市沉陷区面积达101.38km2,最大沉陷量8m,有20个下沉盆地,涉及人口78486人。地表沉陷主要是由于地质条件复杂、多年开采导致采空区日益扩大、多煤层重叠重复开采、岩浆岩侵入及断层影响造成的。阜新矿区矸石山356座,占地面积32.23km2,总堆积量13.12×108m3,长期侵占土地并暴露于外,使得其中有毒、有害物质渗透到土壤和水环境系统中,造成地表和地下水系严重污染。同时释放有毒气体污染大气。阜新海州露天矿边坡雨水冲刷导致滑坡失稳破坏、煤体露头自燃,从而严重污染大气环境。通过研究其所属百里矿区煤炭资源开采衍生各种灾害形成机理和发生规律,提出阜新深部开采安全措施、沉陷区治理办法、大型露天矿滑坡防治、矸石山植被和生物群落环境修复、地下水系污染治理等一系列具有针对性的控制方法。从多相多场耦合角度建立了灾害衍生与控制间关系框图。最后指出了今后我国煤炭资源枯竭型城市灾害衍生、控制应遵循的研究方向和技术路线。

深部岩体力学与开采理论研究进展

随着地球浅部矿物资源逐渐枯竭,深部矿产资源开采已然趋于常态。然而,由于深部岩体典型的“三高”赋存环境的本真属性及资源开采“强扰动”和“强时效”的附加属性,导致深部高能级、大体量的工程灾害频发,机理不清,难以预测和有效控制,传统岩石力学和开采理论在深部适用性方面存在争议。国家“十三五”重点研发计划“深部岩体力学与开采理论”针对上述难题进行了系统研究,本文详细总结了项目研究进展,包括:①初步形成了原位保真取芯、保真移位、保真测试的技术体系并开展不同深度原位恢复物理力学试验;②系统探索了扰动条件下不同赋存深度岩体原位长期力学行为,构建了不同赋存应力环境的岩石动态本构模型;③提出了适用于复杂地质条件下深部非线性岩体平均应力与变形模量的关系式,开发了批数据处理网络算法反演深部地应力场,系统研究了岩石破坏过程中的能量积聚、能量耗散特性;④提出了“强扰动”和“强时效”特征的判定依据,探索了深部开采强扰动应力路径下煤体损伤规律及非连续支承压力理论,研究了深部开采强扰动煤体损伤破裂、能量演化及渗透特性;⑤建立了岩体介质复杂孔隙结构的三维可视化模型,实现了裂纹动态扩展过程中应力场的可视化,研发了可视化物理模型的三维应力场的冻结实验装置;⑥开展了深部硬岩矩形隧洞围岩板裂破坏的试验模拟,提出了深部近采场区域应力平稳释放理论与方法,研发并应用了深部硬岩高应力诱导与爆破耦合的破岩方法与技术;⑦概括了深部硬岩强卸荷下3种灾害模式的破裂孕育分异演化机制,提出了基于物质点原理描述岩体连续-非连续计算分析新方法,创新了硐室稳定的裂化-抑制支护方法;⑧分析了深部煤炭安全绿色开采的主要影响因素,初步构建了“高保低损”型深部煤炭安全绿色开采新模式;⑨建立了深部地下开采空间模型及生产计划动态优化模型,提出了深部掘进工作面卸荷技术、深部高应力矿柱一体化卸压控制对策以及深部卸压帷幕应力隔断技术。基于以上内容,初步构建了深部岩体力学与开采理论研究体系,以期为未来中国深部矿产资源开发提供理论基础与技术支撑。

裂隙性储层水平井起裂行为的控制

针对裂隙性储层水力压裂行为中出现的围岩维护、增透效率与地下水害防治等实际问题,本文对多场多相耦合作用下起裂压力控制机制,以及压裂性评价展开了深入研究.首先分析了射孔集中力对原始应力场的改造作用;其次,考虑压裂液在储层原生裂隙中的渗透作用;最后,基于断裂力学强度准则建立了水平井起裂压力计算模型.根据模型分析了储层裂隙场几何参数对起裂压力的控制作用,提出了裂隙场特征参数的概念.研究结果表明,水平井水力压裂是流固多相在射孔应力场、压裂液渗流场以及储层裂隙场耦合空间内相互作用过程,裂隙场特征参数对起裂压力的大小起着主导控制作用,其中最大控制因素为储层隙宽,且当储层隙宽在200~700μm区间内时,水力压裂对改善其渗透性能才有实际意义,从而解决了裂隙性储层起裂压力的定量化与压裂性评判问题.经实例计算与对比发现,苏里格气田东区H8段的砂岩储层,起裂压力的理论值与实测值契合度较高,压裂后的产能也十分理想,从而验证了模型的正确性,可以为水平井压裂施工提供理论依据.

高放废物地质处置库缓冲/回填材料的气体渗透问题研究进展

简要回顾和总结了国内外学者对处置库中的气体形成与渗透机制,注气试验装置与试验方法,以及气体渗透特性等方面的研究成果和最新进展。研究表明,深地质处置库运营过程中会由于金属无氧腐蚀等产生以氢气为主的多组分气体,气体在缓冲/回填材料中主要以对流–扩散渗流、黏性–毛细管两相流、局部膨胀通道渗流和沿宏观裂缝渗流等4种机制渗透。为此,各国学者先后研发了恒体积渗透装置、K0渗透装置、等向应力渗透装置和三轴渗透装置等注气试验装置,采用控制注气流量速率法或控制注气压力法开展了大量注气试验,发现缓冲/回填材料的气体渗透率和特征压力等渗透特性均与其物理性质和边界条件等诸多因素有关。考虑到处置库实际运营工况的复杂性,多场（热–水–化–力）多相（固–液–气）耦合条件下的缓冲/回填材料的气体渗透特性研究将是今后的一个重要工作方向。